Радиоактивность: Учебное пособие

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й Т У Н И В Е РСИ Т Е Т

Р А Д ИОА К Т ИВН ОС Т Ь У чебное пособи епо специ альностям 010400, 014100, 013800, 010100, 510400

В О РО Н Е Ж 2003

2

У тверждено научно – методи ческ и м советом ф и зи ческ ого ф ак ультета 12 ноября2002 г.

Состави тели : Л еви н М .Н ., Ги тли н В .Р.

У чебное пособи е подготовлено на к аф едре ядерной ф и зи к и ф и зи ческ ого ф ак ультета В оронежск ого государственного уни верси тета. Рек омендовано длястудентов дневного отделени я ф и зи ческ ого ф ак ультета, а так жедлястудентов 4 к урса математи ческ ого ф ак ультета

У чебное пособи е подготовлено в обеспечени е поточного лек ци онного к урса «Ф и зи к а», чи таемого длястудентов 4 к урса математи ческ ого ф ак ультета, спецк урсов «Ради аци онная ф и зи к а», «Ради оэк ологи я», «Ф и зи ческ ое матери аловедени е», чи таемы х студентам по специ али заци ям «Ф и зи к а ядра и элементарны х части ц» и «М еди ци нск ая ф и зи к а», а так же для к ольцевого прак ти к ума по ядерной ф и зи к е.

3

Р А Д ИОА К Т ИВН ОС Т Ь Р адио ак т ив н о с т ь – перв ы й я дерн ы й про ц ес с о т к ры т ы й чело в ек о м. О т к ры т ие радио ак т ив н о с т и о к азало о гро мн о е в лия н ие н а разв ит ие н аук и и т ехн ик и.. О н о о зн амен о в ало н ачало эпо хи ин т ен с ив н о го изучен ия с в о йс т в ис т рук т уры в ещес т в а. Н о в ы е перс пек т ив ы , в о зн ик шие в эн ергет ик е, про мы шлен н о с т и и мн о гих других о блас т я х чело в ечес к о й дея т ельн о с т и благо даря о в ладен ию я дерн о й эн ергией бы ли в ы зв ан ы к ж изн и о бн аруж ен ием с по с о бн о с т и химичес к их элемен т о в к с амо про изв о льн ы м прев ращен ия м. За рабо т ы , с в я зан н ы е с ис с ледо в ан ием и примен ен ием радио ак т ив н о с т и бы ло прис уж ден о бо лее 10 Н о белев с к их премий по физик е ихимии.

Р адио ак т ив н о с т ь ( от лати нск ого radio-и злучаю , radius-луч и aktivusдей ственны й ) представляет собой процесссамопрои звольного распада атомны х ядер с и спуск ани ем одной и ли неск ольк и х части ц. Я дра, подверженны е ради оак ти вному распаду, назы ваю тся ради оак ти вны ми . Я дра, не и спы ты ваю щ и еради оак ти вного распада, назы ваю тся стаби льны ми . В процессе ради оак ти вного распада у ядер может и зменяться к ак атомны й номер Z, так и массовоечи сло А . В се и звестны е ти пы ради оак ти вны х превращ ени й являю тся следстви ем ф ундаментальны х взаи модей стви й ми к роми ра: с ильн ы х в заимо дейс т в ий (ядерны е си лы ) и ли с лабы х в заимо дейс т в ий. Си льны е взаи модей стви я ответственны за превращ ени я, сопровождаю щ и еся и спуск ани ем ядерны х части ц, напри мер, α -части ц, протонов, и ли оск олк ов делени я ядер. Слабы е взаи модей стви я проявляю тся в β-распаде ядер. Элек т ро магн ит н ы е в заимо дейс т в ия ответственны за к вантовы е перех оды между разли чны ми состояни ями одного и того же ядра, к оторы е сопровождаю тся и спуск ани ем гамма-и злучени я. Э ти перех оды не связаны с и зменени ями состава ядер и поэтому, согласно современной к ласси ф и к аци и , не при надлежат к чи слу ради оак ти вны х превращ ени й . Поняти е ради оак ти вность распространяется так жена β-распадней тронов. Ради оак ти вность отли чаю т от превращ ени й составны х ядер, образую щ и х ся в процессе ядерны х реак ци й в результате поглощ ени я ядромми ш енью падаю щ ей на него ядерной части цы . В ремя жи зни так ого ядра значи тельно превы ш ает время пролета падаю щ ей части цей расстояни я порядк а ядерны х размеров (10-21 – 10-22с, так назы ваемое, харак т ерн о е я дерн о е в ремя ) и может дости гать 10-13 – 10-14 с. Поэтому ни жней грани цей продолжи тельности жи зни ради оак ти вны х ядер условно счи таетсявремяпорядк а 10-12 с. Х арак терной особенностью ради оак ти вности являю тсяогромны е, в масш табах ми к роми ра, времена жи зни ради оак ти вны х ядер. Т ак , напри мер, при х арак терном ядерном времени , к оторое и меет порядок 10-21с, ради оак ти вное ядро U238 и меет среднеевремяжи зни 1010 лет (т.е. ~ 1017c.). Процесс ради оак ти вного распада всегда эк зотерми чен, т.е. и дет с вы делени ем энерги и . Поэтому при расчете энергети ческ ого баланса необх оди мо учи ты вать реляти ви стск ую связь массы с энерги ей Е рел = М с2 ,

4

так к ак при распадемогут рождаться новы е части цы , на что будет затрачи ватьсяэнерги я. Н еобх оди мы м услови ем ради оак ти вного распада является его энергети ческ ая вы годность – масса матери нск ого (и сх одного) ядра должна бы ть больш е суммы массдочернего ядра (ядра – продук та) и части ц, образую щ и х ся в процессе распада. В ремя жи зни ради оак ти вного ядра си льно зави си т от энерги и , вы деляю щ ей сяпри распаде. Ради оак ти вны й распадх арак тери зуется временем его прох ождени я, ви дом части ц, и спуск аемы х во время распада, энерги ями и спуск аемы х части ц, угловы ми распределени ями направлени й вы лета части ц, спи нами матери нск и х и дочерни х ядер и и спуск аемы х части ц. Больш и нство ради оак ти вны х ядер в при роде не встречается, а получено в лаборатори ях и ск усственны м путем. О тдельны е ради оак ти вны е и зотопы образую тся в при роде в результате разли чны х ядерны х реак ци й . Я дра с больш и ми средни ми временами жи зни (превы ш аю щ и ми сотни ми лли онов лет) не успели полностью распасться за время, прош едш ее с момента образовани я Солнечной си стемы (~109лет). Т ак и х долгожи вущ и х ради оак ти вны х и зотопов и звестно ок оло 20. В ажней ш и е и з ни х : Th232, U238 и U235. В естественны х услови ях в при роде могут встречаться и сравни тельно бы стро распадаю щ и еся ради оак ти вны е и зотопы . Сущ ествовать в значи тельны х к оли чествах они могут ли ш ь при нали чи и в при роде процессов, способны х восполнять и х убы ль за счет ради оак ти вного распада. Сущ ествую т два так и х процесса. Первы м и з ни х является процесс распада долгожи вущ и х и зотопов, при к отором образую тся к оротк ожи вущ и е ради оак ти вны е ядра. Н апри мер, и зотопы урана, распадаясь перех одят в новы е и зотопы , времена жи зни к оторы х значи тельно меньш е. В торой процесс связан с образовани ем ради оак ти вны х ядер при ядерны х реак ци ях , вы зы ваемы х к осми ческ и ми лучами – поток ами части ц падаю щ и х на Землю и з к осмоса. Т ак сущ ествовани е в атмосф ере Земли ради оак ти вного и зотопа С14 обусловлено ядерны ми реак ци ями под дей стви ем к осми ческ и х лучей . О бласт ь сущ е ст вования ат ом ны х яд е р У становлено, что атомны е ядра могут сущ ествовать в определенной ограни ченной области значени й вели чи н А и Z. В не эти х грани ц атомны е ядра сущ ествовать не могут, так к ак они за харак т ерн о е я дерн о е в ремя ( τ я ≈ а /с≈ 10-23 с, гдеа – ради ус дей стви я ядерны х си л, с– ск орость света) распадаю тся с и спуск ани ем одного и ли двух нук лонов. В нутри области возможного сущ ествовани я ядер не все ядра стаби льны . О днак о, они распадаю тся не путем прак ти ческ и мгновенного и спуск ани я нук лона, а за счет более медленны х процессов. Н а ри с.1 пок азана ней тронно-протонная ди аграмма атомны х ядер. Стаби льны еядра (они обозначены черны ми точк ами ) образую т, так назы ваемую до лин у с т абильн о с т и. При малы х А стаби льны еядра сдержат при мерно оди нак овое чи сло протонов и ней тронов, а при увели чени и А процентное содержани е ней тронов возрастает. С левой стороны от доли ны стаби льности нах одятся ядра, и мею щ и е и збы ток протонов, справа – ядра, и мею щ и е и збы ток ней тронов. П ро т о н о избы т о чн ы е

5

я дра являю тся ради оак ти вны ми и превращ аю тся в стаби льны е в + основном за счет β -распадов. При этом протон, вх одящ и й в состав ядра, превращ ается в ней трон. Н ейт ро н о избы т о чн ы е я дра так же являю тся ради оак ти вны ми и перех одят в стаби льны е в результате β -распадов с превращ ени ем ней трона в протон. Самы е тяжелы е стаби льны е и зотопы – и зотопы сви нца (Z = 82) и

Ри с.1. Н ей тронно-протоннаяди аграмма атомны х ядер ви смута (Z = 83). Т яжелы еядра наряду сβ + и β - подвержены так жеα -распаду и спонтанномуделени ю , к оторы естановятсяосновны ми к аналами и х распада. Н а ри с.1 пунк ти рная ли ня очерчи вает область возможного сущ ествовани я атомны х ядер. Л и ни я В р (В р-энерги я вы ры вани я и з ядра протона) ограни чи вает область сущ ествовани я атомны х ядер слева, ли ни я В n (В n энерги я вы ры вани я ней трона) – справа. Эне ргия связи яд ра Эн ергия с в я зия дра – энерги я, необх оди маядляполного разделени яядра на составляю щ и е его нук лоны . О на х арак тери зует прочность ядра и необх оди ма для расчета лю бы х процессов распадов и превращ ени й ядер. Э нерги ю вы би вани я протона и з ядра В р - можно представи ть в ви де разности энерги и связи ядер XA и XA-1 : Bp = Е св (Z,A) – (Z-1, A-1) Э нерги явы би вани яней трона : Bn = Е св (Z,A) – (Z, A-1) Д лявы би вани яи з ядра α -части цы необх оди ма энерги я: Bα = Е св (Z, A) – Eсв (Z-2, A-4) – Eсв (α ), где Eсв (α ) – энерги ясвязи α -части цы .

6

В прак ти к ечасто и спользую т удельн ую эн ергию с в я зи и ли энерги ю связи на оди н нук лон: Eсв /A. И з теори и относи тельности следует, что масса М и полнаяэнерги яЕ рел лю бой ф и зи ческ ой си стемы связаны соотнош ени ем Э й нш тей на: Е рел = М с2. С помощ ью этого соотнош ени я энерги ю связи ядра можно вы рази ть через его массуМ Z, A и массы протона и ней трона: Е св (Z, A) = (Z,Mp + NMn - MZ,A) c2 . В и дно, что масса ядра на вели чи ну Е св / c2 меньш е суммы масс нук лонов, составляю щ и х ядро. Законы рад иоакт ивного распад а. Ради оак ти вность- процессстати сти ческ и й . О ди нак овы еядра распадаю тся за разли чны е промежутк и времени , но среднее время жи зни ядер одного ви да не зави си т от процесса образовани я эти х ядер, от давлени я, температуры , агрегатного состояни я, ти па х и ми ческ ого соеди нени я, к уда вх оди т ради оак ти вны й элемент, и является вели чи ной постоянной . Поэтому с редн ее в ремя ж изн и, и ли просто время жи зни (τ), является ф и зи ческ ой х арак тери сти к ой распада ядер. Н а прак ти к е продолжи тельность жи зни ради оак ти вны х ядер обы чно х арак тери зую т перио до м по лураcпада – промежутк ом времени Т 1/2, в течени е к оторого чи сло ради оак ти вны х ядер уменьш аетсяв 2 раза. Н езави си мость распада отдельного ядра от остальны х ядер определяет вы бор по с т о я н н о й рас пада λ (вероятность распада ядра за еди ни цу времени ), к ак естественной стати сти ческ ой вели чи ны . При больш ом чи сле N оди нак овы х нестаби льны х ядер вели чи на λN назы вается ак т ив н о с т ью и пок азы вает к оли чество распадаю щ и х ся ядер за еди ни цу времени . А к ти вность х арак тери зует и нтенси вность и злучени я препарата в целом. И стори ческ и еди ни цей ак ти вности бы ла (в настоящ еевремяэто внеси стемнаяеди ни ца) к юри (Ки), к отораяпервоначально определяласьк ак ак ти вность1г Ra. В дальней ш ем под 1 К и стали пони мать ак ти вность ради оак ти вного препарата, в к отором прои сх оди т 3,7ּ1010 распадов в сек унду. Д ругой внеси стемной еди ни цей ак ти вности является резерфо рд (Р д) : 1Рд= 106 расп./с. В си стеме СИ еди ни цей и змерени яак ти вности в настоящ еевремяявляется 1 бек к ерель (Бк ), и мею щ аяразмерностьс-1 и равная1 распадув сек унду. Свой ством ради оак ти вности является незави си мость λ от времени . В лю бы емоменты времени λ оди нак ова. Е сли в момент времени t и меется больш ое к оли чество N ради оак ти вны х ядер и за промежуток времени dt распадается в среднем dN ядер, то можно запи сать: dN = - λN dt. (1) Знак – пок азы вает убы ль ради оак ти вны х ядер в процессе распада. После и нтегри ровани я: N = N0 e-λt, (2 )

7

где N0 – к оли чество ради оак ти вны х ядер в прои звольны й начальны й момент времени t = 0. Т ак и м образом ви дно, что дляпроцессов ради оак ти вного распада х арак терен эк споненци альны й зак он уменьш ени я во времени среднего чи сла ак ти вны х ядер. А к ти вность А является прои зводной от N по времени , взятой собратны м знак ом: А= λN = -dN/dt. (3) Т ак к ак N(Т отк уда:

1/2)

= N0 /2 , то: N0 /2 = N0 e-λТ , λ = ln2/Т

И з (1):

1/2

~ 0,69 / Т

e-λТ = 1/2 1/2.

(4)

dN/dt = -( 0,69 / Т 1/2) N. Среднее время жи зни ядра τ равно обратной вели чи не от постоянной распада λ: τ = 1/ λ, и ли Т 1/2 = τ ln 2 = 0,69 τ. Рад иоакт ивны е ряд ы (се м е йст ва) В о многи х случаях продук ты ради оак ти вного распада сами ок азы ваю тся ради оак ти вны ми и тогда образовани ю стаби льного и зотопа предш ествует цепочк а и з целого ряда ак тов ради оак ти вного распада. В се тяжелы е ядра с массовы м чи слом А >209 нестаби льны к α -распаду за счет возрастани я роли к улоновск ой энерги и . Е сли массовоечи сло А намного больш е209, то это ядро в стаби льное перех оди т путем цепи неск ольк и х последовательны х распадов . О днак о невсе звеньяэтой цепи будут α -распадами . При к аждом ак теα -распада массовое чи сло А уменьш ается на 4, а зарядядра (атомны й номер)- на 2. При этом процент ней тронов в ядре увели чи вается. Н о стаби льны еотноси тельно β распаа ядра при меньш и х А должны содержатьнебольш и й , а меньш и й процент ней тронов. О тсю да ви дно, что стаби льное относи тельно α -распада тяжелое ядро после одного и ли неск ольк и х последовательны х ак тов α -рапада станет нестаби льны м к β -распаду. Поэтому в цепях распадов процессы α - и β распадов чередую тся друг с другом. И сследовани е ради оак ти вны х элементов, встречаю щ и х ся в при роде, пок азало, что все они могут бы ть расположены в ви де трех последовательны х цепочек ради оак ти вны х семей ств и ли рядов. Последовательность ради оак ти вны х распадов в ради оак ти вны х семей ствах

Ри с. 2а Ри с. 2б Последовательностьраспадов в ради оак ти вны х семей ствах

8

пок азаны на ри с.2а, 2б, 2в. Ряды начи наю тся и зотопами тяжелы х элементов: U238, U235, Th232 и зак анчи ваю тся стаби льны ми и зотопами сви нца Pb206, Pb207, Pb208 (урановы й , ак ти ни евы й и тори евы й ряды ). М ассовое чи сло А при β распаде не меняется, а при α -распаде уменьш ается на 4 для к аждого ради оак ти вного семей ства. При этом в первом случае заряд следую щ его элемента увели чи ваетсяна 1, во втором – пони жаетсяна 2. Э та зак ономерность назы вается прави лами смещ ени я. И з ни х следует, что массовы е чи сла членов всех трех семей ств опи сы ваю тсяф ормулой : А = 4n + C, где n – целое чи сло, С = 2 для семей ства урана, С = 3 для семей ства ак ти ноурана, С = 0 для семей ства тори я. С =1 для четвертого семей ства, состоящ его и з и зотопов невстречаю щ и х сяв при роде,– семей ства нептуни евого (ри с.2г), к отороеначи наетсяPu241 и зак анчи ваетсяBi209.

Ри с. 2в Ри с. 2г Последовательностьраспадов в ради оак ти вны х семей ствах Прави ла смещ ени я помогли прави льно и денти ф и ци ровать члены ради оак ти вны х семей ств. Первы е три ради оак ти вны е ряда сы грали и ск лю чи тельно важную роль на начальном этапе ядерной ф и зи к и , к огда все методы и зучени я атомного ядра бы ли связаны с естественной ради оак ти вностью и зотопов вх оди вш и х в эти ряды . В настоящ ее время они и мею т важное при к ладное значени е для ядерной тех ни к и , геологи и , геоф и зи к и и смежны х с ни ми наук , поск ольк у содержат и зотопы пери оды полураспада к оторы х сравни мы с с временем жи зни Солнечной си стемы . В се 4 и зотопа отк ры ваю щ и е ради оак ти вны е ряды и мею т пери оды полураспада намного больш и е, чем у всех остальны х и зотопов в к аждом ряду. И з сравнени я пери одов полураспада начальны х и зотопов рядов с временем жи зни Земли (~109 лет) ви дно, что тори й – Th232 (Т 1/2 = 1,4 1010лет) в Земле почти весь сох рани лся, уран – U238 (Т 1/2 = 4,5 109лет) распалсяли ш ьчасти чно, а ак ти ни й – U235 (Т 1/2 = 7 108 лет) больш ей частью распался. И зотоп нептуни я Np237 (Т 1/2 = 2,2 106 лет) за времясущ ествовани яЗемли распалсяпрак ти ческ и весь. Поэтому четвертое ради оак ти вное семей ство бы ло и сследовано гораздо позднее трех остальны х , к огда научи ли сьполучатьи ск усственны еи зотопы .

9

Искусст ве нная рад иоакт ивност ь В первы е ис к ус с т в ен н ую радио ак т ив н о с т ь атомны х ядер наблю дали ф ранцузск и е ф и зи к и супруги И рен и Ф редери к Ж оли о-К ю ри в 1934 году. В настоящ ее время и звестно более 2000 ради оак ти вны х и зотопов и тольк о ли ш ь ок оло 300 и з ни х при родного прои сх ождени я, остальны е получены и ск усственны м путем. Т ак и е и зотопы есть у всех х и ми ческ и х элементов от водорода до урана. Получены и ск усственны м путем элементы с Z = 43 (тех неци й Т с99) и Z = 61 (промети й Pm145), к оторы е ранее в при роде не наблю дали сь. Получены и зотопы трансурановы х элементов (Z > 92). М ежду естественной и и ск усственной ради оак ти вностью нет при нци пи ального разли чи я. И зучени е и ск усственной ради оак ти вности при вело к важней ш и м отк ры ти ям в области превращ ени й ядер и струк туры атомного ядра. И ск усственны е ради оак ти вны е элементы получаю т путем облучени я стаби льны х и зотопов ней тронами (n), вы сок оэнергети ческ и м (жестк и м) γи злучени ем, бы стры ми заряженны ми части цами : α -части цами , протонами (р), дей тронами (d) и т.д. В результате реак ци й ти па (d,р), (n, р), (n, α ) и т.д. часто образуется нестаби льны й н ейт ро н о избы т о чн ы й и зотоп. Про т о н о избы т о чн ы е нестаби льны е и зотопы получаю т обы чно в реак ци ях ти па (p, n), (d, n), (α ,n), (n,2n) и т.д. Состояни е устой чи вости для первого случая может бы ть дости гнуто путем замещ ени я ней трона протоном при одновременном и спуск ани и элек трона и анти ней три но. В о втором случае протон замещ ается ней троном, а это может и дти ли бо путем и спуск ани я пози трона и ней три но, ли бо α -части цы , ли бо зах ватом орби тального элек трона и и спуск ани яней три но. Д ля получени яради оак ти вны х и зотопов часто и спользую тсяней троны , так к ак дляни х несущ ествует элек тростати ческ и х си л отталк и вани яот ядра. При этом вероятность зах вата ней тронов ядрами обратно пропорци ональна и х ск орости . При зах вате ядром теплового ней трона образуется ядро в возбужденном состояни и . И збы ток энерги и , равны й энерги и связи в ядре (5 – 8 М эВ ), вы деляется в ви де γ-к вантов. Т ак и е реак ци и носят названи е ради аци онного зах вата ней трона. О ни могут бы тьпредставлены в ви де: A 1 A+1 * → ZCA+1 + γ, ZB + 0n → ZC где ZBA - и сх одное ядро, ZCA+1* и ZCA+1 – ядро продук т в возбужденном и основном состояни и соответственно. В ремя жи зни ядра в возбужденном состояни и обы чно порядк а 10-12с, но и ногда ядро может оставаться в возбужденном состояни и до ми нут, часов, и дажелет. Е сли времяжи зни ядра больш е10-9с, то говорят, что ядро нах оди тсяв мет ас т абильн о м состояни и . Я дра, и мею щ и е оди нак овое чи сло протонов и ней тронов, но нах одятсяв разны х энергети ческ и х состояни ях (одно и з к оторы х метастаби льное), назы ваю тсяизо мерами. Ч асто о так и х ядрах говорят, что они могут сущ ествовать в двух изо мерн ы х с о с т о я н ия х. О бы чно это ядра и мею щ и е два пери ода полураспада для и спуск аемого и ми β -и злучени я. И з и звестны х ядер-и зомеров наи больш и й пери одполураспада отмечен у нептуни я –5500 лет.

10

Т ипы рад иоакт ивност и В се ви ды ради оак ти вны х превращ ени й можно разби ть на две группы : элемен т арн ы е (одноступенчаты е превращ ени я) и с ло ж н ы е (двух ступенчаты е превращ ени я). К первы м относятся : 1. альфа-рас пад, 2.всеви ды бет а-рас пада (с и спуск ани ем элек трона, пози трона и ли с зах ватом орби тального элек трона), 3.с по н т ан о е делен ие я дер, 4.про т о н н ая радио ак т ив н о с т ь, 5.дв ухпро т о н н ая радио ак т ив н о с т ь, 6. дв ухн ейт ро н н ая радио ак т ив н о с т ь. В случае β -распада достаточно больш ое время жи зни ядер обеспечи вается при родой слабы х взаи модей стви й . В се остальны е ви ды элементарны х ради оак ти вны х процессов обусловлены ядерны ми си лами . Замедлени етак и х процессов до времен ≥ 1012 с вы звано нали чи ем потенци альны х барьеров (к улоновск ого и центробежного), к оторы езатрудняю т вы лет ядер и ли ядерны х части ц. К дв ухс т упен чат ы м радио ак т ив н ы м прев ращен ия м относят процессы и спуск ани я так назы ваемы х запазды ваю щ и х части ц: протонов, ней тронов, α части ц, ядер три ти я и Н е3, а так же запазды ваю щ ее спонтанное делени е. Запазды ваю щ и е процессы вк лю чаю т в себя β -распад к ак предвари тельную стади ю , обеспечи ваю щ ую задержк у последую щ его мгновенного и спуск ани я ядерны х части ц. Т ак и м образом, в случаедвух ступенчаты х процессов к ри тери й ради оак ти вности относи тельно времени жи зни удовлетворяется тольк о для первой стади и , благодаряееосущ ествлени ю за счет слабы х взаи модей стви й . Альфа - распад Альфа - рас пад представляет собой процесс самопрои звольного превращ ени я атомны х ядер, сопровождаю щ и й ся и спуск ани ем α-части ц. В результате α распада массовое чи сло уменьш ается на 4 еди ни цы , а зарядядра уменьш ается на 2: А А -4 + 2He , ZX → Z-2 X где zXA - и сх одное (матери нск ое) ядро, Z-2 XА -4 - к онечное (дочернее) ядро, 4 ро гели я(α -части ца). 2Н е - яд О сновны ми х арак тери сти к ами α -распада являю тся: область а-ак ти вны х ядер, к и нети ческ аяэнерги яα -части ц, пери одполураспада. А льф а – распад и дет для ядер с порядк овы м номером ≥ 83, при чем энерги я α -части ц растет с ростом Z ядра. Сущ ествует так же небольш ая группа α -ради оак твны х и зотопов редк оземельны х элементов с А = 140- 160. И звестно более 200 α -ак ти вны х ядер, больш и нство и з к оторы х получено и ск усственны м путем. Пери оды полураспада α -ак ти вны х ядер лежат в ш и рок и х пределах от 10-6с для и зотопа радона 86Rn215 до 1,4 1017 лет для и зотопа сви нца 82РЬ 204. Э нергети ческ и й ди апазон, напроти в, лежи т в очень узк ом ди апазоне: 4-9М эВ длятяжелы х ядер и 2 - 4,5 М эВ дляядер редк оземельны х элементов. В 1911г. году Гей гер и Н еттол установи ли , что для всех α -ак ти вны х элементов больш и м вероятностям распада λ, соответствую т больш и е энерги и Е а. Зак он Гей гера-Н еттола может бы тьзапи сан в ви де: lgλ = a·lgEα + b, где а и b - к онстанты , λ= 1п2 / Т 1/2.

11

Э нергети ческ ое услови е α -распада: ZMA > Z-2MA-4 +2m4 , где ZMA -масса и сх одного ядра, Z-2MA-4 - масса ядра-продук та, 2m4 -масса α -части цы . М асса α -части цы значи тельно меньш е массы дочернего ядра (ядра продук та), поэтому основная часть энерги и при распаде и сх одного ядра уноси тся α -части цей . Т ак к ак при α -распадеобразую тся тольк о две части цы , то для определенного распадаю щ егося и зотопа к и нети ческ ая энерги я α -части цы строго постоянна. Поэтому спек тры α -части ц мо н о эн ергет ичн ы (ди ск ретны ). Э нергети ческ ое состояни е атомного ядра, соответствую щ ее ми ни мальному значени ю его массы пок оя, назы ваю т о с н о в н ы м с о с т о я н ием. В се остальны е состояни я назы ваю тся в о збуж ден н ы ми. И спуск ани е основной группы α -части ц с одной определенной энерги ей соответствует энергети ческ и м перех одам между основны ми состояни ями и сх одного и к онечного ядер. О днак о, если перех одосущ ествляется в одно и з возбужденны х состояни й к онечного ядра и ли , наоборот, из возбужденного состояни я и сх одного ядра, то энерги я α -части ц будет, соответственно меньш е и ли больш е нормальной (ри с. 3а, 3б). К огда распади дет на возбужденны е Ри с. 3а. уровни дочернего ядра, то в этом случае Э нергети ческ аясх ема возни к новени ятонк ой и спуск ается неск ольк о групп моноэнерструк туры α -спек тра гети ческ и х α -части ц. К ажды й спек тр состои т и з неск ольк и х ли ни й (от 2 до 5), расстояни е между к оторы ми порядк а 100 к эВ . И нтенси вности ли ни й и мею т оди нак овы й порядок и убы ваю т с уменьш ени ем энерги и группы . Т онк ую струк туру α -спек тров и меет больш и нство α -ак ти вны х ядер ри с. Н а ри с. 3а представлена энергети ческ аясх ема возни к новени я тонк ой струк туры . Здесь наряду с основны м энергети ческ и м состояни ем к онечного ядра пок азаны пять возбужденны х энергети ческ и х состояни й . И звестны два ядра: Ро212 и Ро214, к оторы е распадаю тся и з возбужденны х состояни й и сх одны х ядер в основны е состояни я к онечны х . В озбужденны е состояни я возни к ли в результате предш ествую щ его α -распада соответствую щ и х Ри с. 3б Э не рге ти ческ аясх ема и зотопов ви смута (ри с. 3б), при этом α -части цы , и с пу с к ан и я д л и ннопробежны х и спуск аемы е с возбужденны х состояни й ядра α -части ц ThC (84Ро212) аномально вы сок и е значени я энерги и . Э ти ядра и спуск аю т однумощ ную группуα -части ц и неск ольк о слабы х групп, и нтенси вность к оторы х при мерно в 104 – 106 раз меньш е и нтенси вности основной группы . Слабы м группам соответствую т энерги и ,

12

превы ш аю щ и е энерги ю основной группы на 1 ÷ 2 М эВ . А льф а части цы , к оторы еобладаю т так и ми энерги ями назы ваю тсядлин н о про беж н ы ми. При сравнени и энерги и α -распада Е а разли чны х и зотопов одного и того же элемента наблю дается зак ономерное уменьш ени е энерги и с ростом массового чи сла. Излуче ние α-част иц В процессеα -распада разли чаю т два этапа: 1-образовани еα -части цы в ядре и 2-и спуск ани е α -части цы . О бразовани е α -части чной группы - α -ассоци аци и и з двух протонов и двух ней тронов прои сх оди т в ядерной матери и в самом процессеα -распада. Сущ ествую т разли чны емодели ф орми ровани яα -части ц в ядре. Н аи более при няты м в настоящ ее время является подх од, основанны й на перек ры ти и волновы х ф унк ци й нук лонов, образую щ и х α -части чную группу. В торой этап связан свероятностью распада α-ак ти вного ядра. При нято счи тать, что потенци ал внутри ядра (с учетом к оротк одей ствую щ его х арак тера ядерны х си л) и меет ви дсф ери ческ ой потенци альной ямы (ри с.4). У слови я внутри ядра при г < R опи сы ваю тсяпостоянны м потенци алом -Vo. Ради усядра: R = (1,45 - 1, 5) ⋅10 –13 А 1/3 (см) = r0 A1/3 (Ф м) гдеA-массовоечи сло, 1 Ф м (ф ерми ) = 10-13см, r0 – ради уснук лона. Счи тая, что потенци ал для α-частцы вне ядра (при г > R) равен к улоновск ому, образую щ емубарьер вы сотой : Bα=VK = ZαZ⋅e2/r = 2Z (4,8⋅10-10)2 / l,45 ·10 –13 A1/3⋅1,6 ⋅10-6 ≈2Z/А 1/3 М эВ , где Zα = 2 - элек три ческ и й заряд α-части цы , Z - заряд дочернего ядра, eэлементарны й заряд, г - расстояни е от центра ядра. rE - ZαZ⋅e2/Eα- точк а поворота при VK(rE) = Е α. Расчеты пок азы ваю т, что всегда Е α<В α По к ласси ческ и м представлени ям α-части ца с к и нети ческ ой энерги ей меньш е вы соты потенци ального барьера не может прони к нуть и з области I в область III. О днак о в ми ре ми к рочасти ц, дви жени е к оторы х опи сы вается к вантовой мех ани к ой , части ца с энерги ей Eα< В α может с нек оторой вероятностью преодолеть барьер с помощ ью т ун н ельн о го эффек т а. Ри с. 4. Потенци альнаяэнерги яα-части цы При α-распаде состояни я в ядре к вази стаци онарны , так к ак времена -6 17 жи зни α-ак ти вны х ядер (от 10 до 10 с) очень вели к и по сравнени ю с х арак терны м ядерны м временем (10-23c). Замени м реальны й потенци альны й

13

барьер одномерны м потенци альны м прямоугольны м барьером ш и ри ной d. Грани чны еуслови япри этом: V = -V0 = const (npи r < R) V = VK (npи R≤ r ≤ R+rE) V = 0 (npи r > R+rE). Реш ени е уравнени я Ш реди нгера для так ого потенци ала дает в области потенци ального барьера (I) ф унк ци ю :   1 ψ II (r ) = exp− 2μ α (V − E ) r    h гдеµα при веденнаямасса α-части цы и дочернего ядра. В областях I и III:  i (2μ α E ) r  ψ I (r ) = exp −   h К оэф ф и ци ент прозрачности барьера D, и ли вероятность прох ождени я ми к рочасти цы через потенци альны й барьер, определяется отнош ени ем к вадрата модуля волновой ф унк ци и прош едш ей волны |Ψ2(R+rE)|2 (область II при г = R+rE) к к вадрату модуля волновой ф унк ци и падаю щ ей волны |Ψ1(R)|2 ( область I при г = R ). В случае к улоновск ого барьера к оэф ф и ци ент D рассчи ты ваетсяпо ф ормуле:

(

)

(

rE  D = epx − 2 h ∫ 2μ  R

)



α (VK − E ) dr 



К оэф ф и ци ент прозрачности барьера прои звольной ф ормы можно получи ть и нтегри ровани ем этого вы ражени я. Т очноевы чи слени епостоянной распада λ являетсясложной задачей ядерной ди нами к и , поск ольк у она зави си т от многи х параметров, в том чи сле от вероятности ф орми ровани я в ядре α-части цы , ее ск орости , прозрачности барьера и т.д. С достаточной точностью счи тается, что: λ = К ·D Предэк споненци альны й множи тель К при ни мается равны м чи слу соударени й α -части цы от внутренни еграни цы барьера за 1 с. М ожно пок азать, что К ≈ 1021 (с-1). И з вы ражени я In λ = In К +f(Е а), а дляк улоновск ого барьера: In λ = а + b (Eα ), где а и b - к онстанты , мало зави сящ и еот заряда Z. О тсю да ви дно, что малому и зменени ю к и нети ческ ой энерги и Е а соответствует оченьси льноеи зменени еλ. Полученное соотнош ени е для встречаю щ и х ся значени й Е а х орош о согласуется сзак оном Гей гера-Н еттола. Бе т а-распад Бет а-рас падо м назы вается процесс самопрои звольного превращ ени я нестаби льного ядра в ядро-и зобар сзарядом отли чны м на ∆Z = ± 1 в результате

14

и спуск ани я элек трона (пози трона) и ли его зах вата. И звестны три ви да βраспада: β- - распад, β+ -распади элек тронны й зах ват, т.е. зах ват элек тронов ядром с одной и з бли жай ш и х к ядру оболочек . Т ри ви да β-распада сводятся к следую щ и м ви дам взаи много превращ ени янук лонов внутри ядра: п →р + е- + νе (β- -распад), перех однук лона и з состояни яней трона в состояни епротона. р → п + е+ + vе (β+ -распад), перех однук лона и з состояни япротона в состояни еней трона. р + е- → n + ve (элек тронны й зах ват), перех однук лона и з состояни япротона в состояни еней трона. Э лек троны и пози троны ненах одятсявнутри ядра, а рождаю тсяв момент βраспада при перех оде нук лона и з одного состояни я в другое. Т ак и м образом, бета -распад представляет собой самопрои звольное взаи мное превращ ени е протонов и ней тронов, прои сх одящ ее внутри ядра и сопровождаю щ ееся и спуск ани ем и ли поглощ ени ем элек тронов (е-), пози тронов (е+), ней три но (ve), и ли анти ней три но (ve). Эне рге т иче ские условия бе т а-распад а, бе т а – спе кт ры Распад возможен, если масса пок оя си стемы в начальном состояни и больш е ее массы в к онечном состояни и . Т ак к ак масса пок оя ней три но mν = mν = 0 , то энергети ческ и еуслови явсех трех ви дов β -распада: M(Z,A) > M(Z+l, A) + m (β - -распад), (1) + M(Z,A) > M(Z-l, A) + m (β -распад), (2) M(Z,A) + m > M(Z-l, А ) (элек тронны й зах ват), (3) где m –масса пок оя элек трона, M(Z, А ) -масса ядра сатомны м номером Z и массовы м чи слом А . С учетом: M(Z,A) = М ат (Z,A) – Z me, и з вы ражени й (2) и (3) можно пок азать, что элек тронны й зах ват энергети ческ и более вы годны й процесс, чем пози тронны й распад, так к ак при вы полнени и услови й пози тронного распада автомати ческ и вы полняется услови е элек тронного зах вата. В ообщ е, элек тронны й зах ват болеевероятен длятяжелы х ядер, ук оторы х К -элек тронная оболочк а расположена бли же к ядру. Зах ват элек тронов прои сх оди т чащ е всего с бли жай ш ей К -оболочк и (К -зах ват), но может и дти со значи тельно меньш ей вероятностью и со следую щ и х L- и М -оболочек (L-и М -зах ваты ). β-распадх арак терен для ней тронозбы точны х ядер, в к оторы х чи сло ней тронов больш е, чем в устой чи вы х ядрах (ядра сZ > 83, если чи сло ней тронов больш е, чем в β -стаби льны х ядрах , и спы ты ваю т тольк о α -распад). β + распад и элек тронны й зах ват свой ственны н ейт ро н о дефиц ит н ы м я драм, более легк и м, чем устой чи вы е и ли β -стаби льны еядра. Д лялегк и х ядер элек тронны й зах ват затруднен в си лу малой плотности вероятности нах ождени я орби тального элек трона внутри ядра. При менени е энергети ческ и х услови й к массам нук лонов ук азы вает на нестаби льность свободного ней трона. Протон в в свободном состояни и стаби лен и может превращ аться в ней трон тольк о в ядре.

15

Э нерги я при β - - и β +- распадах распределяется между тремя части цами : элек троном и ли пози троном, анти ней три но и ли ней три но и к онечны м ядром. Поск ольк у ядро-продук т обладает больш ой массой пок оя, то к и нети ческ ая энерги я, уноси мая ядром, будет очень мала. Прак ти ческ и вся энерги я, вы деляемаяпри распаде, стати сти ческ и распределяетсямеждуβ части цей и ней три но (анти ней три но). Поэтому спек тр β -части ц сплош ной (ри с. 5). Н а ф орму β спек тра сущ ественно вли яет к улоновск ое взаи модей стви е и спуск аемой β -части цы с полем элек три ческ ого заряда ядра-продук та. И ск ажени я особенно сущ ественны в начале спек тра, для части ц с малой энерги ей . Д ля элек тронов мак си мум спек тра смещ ается в сторону малы х энерги й и в сторону больш и х Ри с. 5. энерги й дляпози тронов. Т и пи чны й ви дβ-спек тра Х арак терной особенностью βспек тров является строго определенная вели чи на мак си мальной к и нети ческ ой энерги и β -частц и ли мак си мальной грани цей β -спек тра Е max , к оторая соответствует случаю , к огда вся энерги я перех ода уноси тся тольк о элек троном (анти ней три но), а анти ней три но (элек трон) и спуск аетсясэнерги ей бли зк ой к нулю . Бета-ради оак ти вны е и зотопы встречаю тся у всех элементов пери оди ческ ой си стемы . Зак он сох ранени я энерги и для β -распада можно представи тьв ви де: M(Z,A)c2 = M(Z± l,A)c2 + mc2 + Eя+Ee+Eν, где М (Z, A), M(Z± l,A) и m - массы и сх одного ядра, ядра-продук та и элек трона, Е я, Е е и Eν -к и нети ческ и еэнерги и продук тов распада. У чи ты вая, что Е я пренебрежи мо мала, получи м: [М (Z,A) - М (Z± l, A) - m]c2= Ee+Eν и ли [М (Z,A) - М (Z± 1,A) - m]с2 = (Ee)max . При элек тронном зах вате энерги я перех ода распределяется тольк о между двумя части цами : к онечны м ядром и ней три но. Т ак к ак ядро, обладая больш ой массой , уноси т малую долю энерги и , то прак ти ческ и вся энерги я перех ода уноси тся ней три но. Поэтому спек тр ней три но при элек тронном зах вате монох ромати ческ и й . О собенностью элек тронного зах вата является слабая зави си мость его ск орости от х и ми ческ ого состояни я превращ аю щ и х ся атомов. Я дро зах ваты вает элек трон с к ак ой -ли бо и з элек тронны х оболочек атома, а вероятность подобного зах вата определяется строени ем не тольк о внутренней оболочк и , но и (в меньш ей степени ) болееотдаленны х оболочек , в том чи слеи валентны х . И зменени е заряда ядра при β -распаде влечет за собой последую щ ую перестрой к у («встряск у») элек тронны х атомны х оболочек , возбуждени е, и они заци ю , атомов и молек ул, разры в х и ми ческ и х связей .

16

В ремя жи зни β -ак ти вного и зотопа си льно зави си т от энерги и перех ода. Ч ем больш е энерги я перех ода, тем более вероятен перех од, а следовательно, время жи зни и зотопа меньш е. Д ля больш и х энерги й Emax междусредни м временем жи зни τ и Emax наблю даетсязави си мость: τ ~ E-5max . Пределы энерги и β -распада составляю т: от 18 к эВ (для 1H3 ) до 16,6 М эВ (для7N14). В заи модей стви е части ц в β -распаде намного слабее, чем ядерны е, слабее, чем элек тромагни тны е и превосх одят тольк о грави таци онны е си лы . К онстанта β -взаи модей стви я g ≈ 10-49 эрг/см3. Слабостью β -взаи модей стви я объясняю тся относи тельно больш и е пери оды полураспадов β -ак ти вны х ядер: от 10-2с до 2· 1015лет. Н е йт рино Х арак терной особенностью β – распада является и спуск ани е н ейт рин о и ан т ин ейт рин о . В 30-е годы 20-го век а и сследовани е β -распада постави ло серьезны е проблемы . Э к спери ментальны е ф ак ты сви детельствовали о несоблю дени и зак онов сох ранени я энерги и , и мпульса и момента к оли чества дви жени я. В 1931 году В .Паули вы ск азал предположени ео том, что в процессе β -распада нарядусβ -части цей и спуск аетсяещ еодна части ца: снулевой массой пок оя, с нулевы м элек три ческ и м зарядом и со спи ном 1/2. Н ей три но, по мнени ю Паули , уноси ло недостаю щ и е энерги ю , и мпульс и момент к оли чества дви жени я. Сущ ествовани е ней три но объясняло непреры вны й (сплош ной ) х арак тер β -спек тра. О днак о свой ства ней три но, предск азанны е Паули , делали задачу эк спери ментального обнаружени я ней три но чрезвы чай но трудной . Т еорети ческ ая оценк а сечени я взаи модей стви я ней три но с ядром дает вели чи ну ~ 10-43 см2 , что соответствует пробегу в твердой среде в неск ольк о ты сяч световы х лет. К олоссальная прони к аю щ ая способность ней три но дала разви ти е так и м направлени ям в наук е, к ак ней три нная астроф и зи к а и ней три нная геоф и зи к а. Н ей три но несут и нф ормаци ю о процессах в центре Солнца, о процессах , прои сх одящ и х в ранней В селенной и к онечны х стади ях эволю ци и звезд. Э к спери ментальны е попы тк и непосредственно зареги стри ровать ней три но продолжали сь почти двадцать лет. Л и ш ь в 1953 годуФ .Рай несуи К .К оуэну удалосьзареги стри роватьанти ней три но. (Н ей три но и анти ней три но отли чаю тся разны ми знак ами поляри заци и : у ней три но спи н анти параллелен направлени ю дви жени я - левы й ви нт-, у анти ней три но спи н параллелен направлени ю дви жени я - правы й ви нт). У чены е и спользовали в к ачестве и сточни к а атомны й реак тор, в к отором мощ ны е поток и анти ней три но возни к аю т при распаде ней тронов. Бы ло зареги стри ровано взаи модей стви е анти ней три но сядрами по реак ци и : ν + р → n + е+. Ги потеза В .Паули получи ла блестящ ееподтверждени е. Спонт анное д е ле ние яд е р С по н т ан н о е делен ие я дер представляет собой самопрои звольны й распад тяжелы х ядер на 2 (реже - 3 и ли 4) оск олк а - ядра элементов середи ны пери оди ческ ой си стемы . Самопрои звольноеделени еядра без предвари тельного возбуждени я может прох оди ть путем туннельного перех ода. Э тот процесс

17

подобен процессу α-распада. О ск олк и делени я «прох одят» через потенци альны й барьер, образую щ и й ся при первоначальной деф ормаци и делящ егося ядра. В ероятность процесса спонтанного делени я определяется прозрачностью потенци ального барьера дляоск олк ов по ф ормуле, аналоги чной дляслучаяα-распада: − 2 h 2M ⋅ Wf ⋅ d D=e , где М - при веденная масса оск олк а, Wf - вы сота барьера делени я, d -ш и ри на барьера делени я (ради ус оск олк а). Расчет дает значени е пери ода полураспада для спонтанного делени я ~1016лет, что ук азы вает на чрезвы чай ную трудность наблю дени яэтого явлени я. Спонтанноеделени еядер бы ло отк ры то в 1940 году советск и ми учены ми Г.Н . Ф леровы м и К .А . Петржак ом. К настоящ емувремени спонтанное делени е ядер обнаружено и и зучено для больш и нства тяжелы х ядер. В ероятность спонтанного делени я для трансурановы х элементов бы стро растет с ростом Z2 /А и при Z >104 спонтанное делени е может бы ть преобладаю щ и м процессом распада. Н овы е т ипы рад иоакт ивност и В начале 80-х годов 20–го век а бы ли отк ры ты два новы х ти па ради оак ти вности . К и звестны м ранее четы рем ти пам ради оак ти вности добави ли сь распады и з основны х состояни й роди тельск и х ядер с и спуск ани ем протонов - про т о н н ая радио ак т ив н о с т ь- и самопрои звольное и спуск ани е ядрами ядер тяжелее2Н 4 - к лас т ерн ая радио ак т ив н о с т ь - (впервы ек ластерная ради оак ти вностьнаблю даласьв распаде: Ra223→Pb209 + Сl4). О тк ры ти ю протонной ради оак ти вности предш ествовало обнаружени е «задержанны х » протонов, связанны х с протонны м распадом вы сок овозбужденны х и поэтому к оротк ожи вущ и х состояни й ядер. Д ля осущ ествлени я протонного распада и з основны х состояни й ядер, необх оди мо бы ло создатьтак и еядра, в к оторы х протон небы л бы связан сдочерни м ядром, образую щ и мся после вы лета протона и з и сх одного ядра. Подобны е ядра являю тся си льно ней тронодеф и ци тны ми . В земны х услови ях так и е ядра не образую тся. Первое протонораспадное ядро 71Lu151 бы ло получено в 1981 году на рек ордном по свои м параметрам уск ори теле многозарядны х и онов в Д армш тадте (Германи я). К настоящ ему времени и сследовано более 30 ядер, и спы ты ваю щ и х протонны й распад и з основны х и и зомерны х состояни й , к оторы е заполняю т ш и рок ую по Z и А область от 27Со53 до 83Bi185. Процесс получени я подобны х ядер и нтенси вно продолжается и в настоящ ее время. И нтерес ф и зи к ов к протонной ради оак ти вности ядер связан не тольк о со стремлени ем детально и сследоватьновы й ви дради оак ти вности , но и стем, что и зучени е протонного распада ядер позволяет получи ть уни к альную и нф ормаци ю о грани цах нук лонной устой чи вости ядер в при роде. Гам м а-излуче ние яд е р Г амма - излучен ие я дер не является самостоятельной разнови дностью ради оак ти вности , а сопровождает явлени е ради оак ти вности в тех случаях ,

18

к огда ядра - продук ты образую тся в возбужденны х состояни ях . В озбуждени е ядра может сни маться и злучени ем одного и ли неск ольк и х γк вантов, и спуск аемы х к аск адно. В озбужденны е ядра образую тся при разли чны х превращ ени ях , в частности после α- и ли -β-распада. После αраспада обы чно и спуск аю тся γ-к ванты невы сок ой энерги и (Е γ< 0,5 М эВ ), что связано с малой прозрачностью потенци ального барьера ядра для α-части ц с малой энерги ей . Э нерги я γ-к вантов, и спуск аемы х после β-распада, дости гает 2,5 М эВ , поск ольк у вероятностьβ- распада и меет болееслабую зави си мостьот энерги и , чем вероятность α-распада. Гамма-и злучени е обусловлено взаи модей стви ем отдельны х нук лонов ядра сэлек тромагни тны м полем. Т ем не менее γ-и злучени е - явлени е не внутри нук лонное (к ак β-распад), а внутри ядерное. Свободны й нук лон и спусти ть и ли поглоти ть γ-к вант не может и з-за совместного дей стви я зак онов сох ранени я энерги и и и мпульса. В нутри ядра нук лон может и спусти ть к вант, передав при этом часть и мпульса други м нук лонам. Гамма-к ванты - к ванты элек тромагни тного и злучени я с более к оротк ой дли ной волны , чем у рентгеновск ого и злучени я. И спуск аемы еядрами γ-к ванты и мею т энерги ю от десятк ов к эВ до неск ольк и х М эВ . В ремена жи зни γак ти вны х ядер обы чно лежат в пределах 10-7 – 10-11 с. В ремяжи зни γ-ак ти вны х ядер в возбужденны х состояни ях определяется свой ствами данного уровня и ни жележащ и х уровней , на к оторы емогут прои сх оди тьперех оды си спуск ани ем γ-к вантов. Д ли тельность γ-перех одов резк о возрастет с уменьш ени ем и х энерги и и с увели чени ем разности моментов и сх одного и к онечного состояни й ядра. В рядеслучаев эта дли тельностьсущ ественно превы ш ает 10-10 – 10-9 с, то есть наряду с основны м состояни ем данного стаби льного и ли ради оак ти вного ядра может относи тельно долго (и ногда годы ) сущ ествовать его мет ас т абильн о е возбужденное(изо мерн о е) состояни е. Внут ре нняя эле кт ронная конве рсия, парная конве рсия Перех од ядра и з возбужденного в основное состояни е может осущ ествляться не тольк о путем и спуск ани я γ-к ванта, но и непосредственной передачей энерги и элек тронны м оболочк ам, в результате чего оди н и з элек тронов вы летает и з атома. Т ак ой процесс носи т названи е в н ут рен н ей к о н в ерс ии. Процесс внутренней к онверси и - процесс к онк ури рую щ и й с γи злучени ем. В процессе внутренней к онверси и будут и спуск аться моноэнергети ческ и е элек троны , энерги я к оторы х будет определяться энерги ей перех ода и ти пом элек тронной оболочк и : Е е=Е - ε, гдеЕ - энерги яперех ода, Е е - энерги як онверси онного элек трона, ε -энерги я связи элек трона на атомной оболочк е. С наи больш ей вероятностью процесс внутренней к онверси и и дет на элек тронах К -оболочк и . Е сли энерги я перех ода меньш е энерги и связи элек трона К -оболочк и , то к онверси я и дет на элек тронах L-оболочк и и так

19

далее. После внутренней к онверси и атомом и спуск аю тся рентгеновск и е к ванты , возни к аю щ и е при перех оде одного и з наружны х элек тронов на К -и ли L- оболочк у на место вы летевш его элек трона, и элек тронов О же. Н а ри с.6 представлен β-спек тр и зотопа ртути 80Hg203, вк лю чаю щ и й непреры вны й спек тр элек тронов β-распада и к онверси онны епи к и сК , L и M элек тронны х оболочек . У части е элек тронны х оболочек в к онверси онны х перех одах при води т к тому, что время жи зни соответствую щ и х и зомеров зави си т (х отя и слабо) от х и ми ческ ого состояни я превращ аю щ и х ся атомов. В ероятность внутренней элек тронной к онверси и уменьш ается с увели чени ем энерги и перех ода. При оченьмалы х энерги ях перех ода внутренняя элек тронная к онверси я для тяжелы х ядер может бы ть запрещ ена энергети ческ и . И нтенси вность процесса внутренней к онверси и х арак тери зуется вели чи ной α к, равной отнош ени ю вероятности ωе и спуск ани я к онверси онного Ри с. 6. элек трона к вероятности ωγ и спуск ани я γ β-спек тр и зотопа ртути 80Hg203 к ванта: α к = ωе/ ωγ. При энерги и возбуждени я ядра превы ш аю щ ей энерги ю , соответствую щ ую удвоенной массе элек трона, станови тся возможны м процесс парн о й к о н в ерс ии, при к оторой ядро теряет своевозбуждени еи спуск аяпару-элек трон и пози трон. А налоги чно внутренней к онверси и парная к онверси я х арак тери зуется вели чи ной α π, представляю щ ей отнош ени е ωπ -вероятности и спуск ани я элек тронно-пози тронной пары к ωγ : α π = ωπ / ωγ . Парная к онверси я не связана с атомны ми элек тронны ми оболочк ами и может прох оди ть на ядре ли ш енном атомны х элек тронов. В ероятностьпарной к онверси и растет сростом энерги и перех ода. Л И Т Е РА Т У РА

О сновнаяли тература 1. Савельев И .В . К урс общ ей ф и зи к и : У чеб. пособи е д ля студ. втузов: В 5

к н./ И .В .Савельев. М .: А стрель: А СТ , 2001.- К н. 5: К вантовая опти к а. А томная ф и зи к а. Ф и зи к а твердого тела. Ф и зи к а атомного ядра и элементарны х части ц.-368 с. 2. М ух и н К .Н . Э к спери ментальнаяядернаяф и зи к а: У чеб. д лявузов: В 2 к н./ К .Н . М ух и н.-М .: Э нергоатоми здат, 1993.- К н.1: Ф и зи к а атомного ядра, ч.1. Свой ства нук лонов, ядер и ради оак ти вны х и злучени й .-376 с. 3. М ух и н К .Н . Э к спери ментальная яд ерная ф и зи к а: У чеб. для вузов: в 2 к н./ К .Н . М ух и н -М .: Э нергоатоми здат, 1993.- К н.2: Ф и зи к а элементарны х части ц.-399 с

20

. 4. Я д ерная ф и зи к а, ф и зи к а к осми ческ и х и злучени й , астрономи я /Гос. К ом.

РФ по вы сш . образовани ю ; Редк ол.: Т и х онов А .Н . и др. -М .: И зд-во М ГУ ,-1994.-242 с. 5. К апи тонов И . М . В вед ени е в ф и зи к у ядра и части ц: У чеб. пособи е для студ. ф и з. ф ак . к ласс. ун-тов и други х вузов, обуч. по специ альности "Я дер. ф и зи к а" и направлени ю "Ф и зи к а" /И .М .К апи тонов. -М .: Э ди тори ал У РСС, 2002.-381 с. Д ополни тельнаяли тература 6. Я д ерная энци к лопеди я / А вт. прек та, рук ., гл. ред. А .А .Я рош и нск ая. -М .:

Благотвори тельны й ф ондЯ рош и нск ой А .А . , 1996.-616 с. 7. Л ю би мов А .Л . В вед ени е в эк спери ментальную ф и зи к у части ц / А .Л .

Л ю би мов, Д . К и ш .-2-еи зд., перераб. и доп. -М .: Ф и зматли т, 2001.-271 с. 8 Н ерсесов Э .А . О сновны е зак оны атомной и ядерной ф и зи к и :У чеб. пособи е для студ. ф и з. спец. вузов / Э .А .Н ерсесов. -М .: В ы сш ая ш к ола,1988.-287с.

СО Д Е РЖ АН ИЕ Ради оак ти вность… … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … … … … .… … 3 О бластьсущ ествовани яатомны х ядер.… … … … … … … … … .… … … … … … .… 4 Э нерги ясвязи ядра… … … … … … … … .… … … … … … … … … … … … .… … … … . 5 Зак оны ради оак ти вного распада… … … .… … … … … … … … … … … … … … .… ... 6 Ради оак ти вны еряды (семей ства)… … … .… … … … … .… … … … … … … … … .… 7 И ск усственнаяради оак ти вность… … … … .… … … … … … … .… … … … … .… .… 9 Т и пы ради оак ти вности … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … .… 10 А льф а -распад… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… 10 И злучени еальф а –части ц… … … … … … … .… … … … … … … … … … … … … … .. 12 Бета-распад… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 13 Э нергети ческ и еуслови ябета-распада, бета-спек тры .… … … … … … … … … .. . 14 Н ей три но… … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … … … … … … .… 16 Спонтанноеделени еядер… … … … … … … … … … … … … .… … … … … … … .… 16 Н овы ети пы ради оак ти вности … … … … … … … … … … … .… … … … … … … .… . 17 Гамма-и злучени еядер… … … … … … … … … … … … … … .… … … … … … … .… .. 17 В нутренняяэлек троннаяк онверси я, парнаяк онверси я… … … … ..… … … … ... 18 Л И Т Е РА Т У РА … … … … … … … … … … … … … … … … … ...… … … … … .… .… … 20

21

Состави тели : Л еви н М арк Н и к олаеви ч, Ги тли н В алери й Раф аи лови ч Редак тор:

Буни на Т амара Д ми три евна

22